1. 油氣行業(yè)甲烷減排勢(shì)在必行
國(guó)際能源署（IEA）統(tǒng)計(jì)，2023年全球甲烷排放量為3.49×108 t，能源部門占比為36.8%，其中油氣行業(yè)占能源部門排放總量的62%，達(dá)到0.80×108 t。根據(jù)IEA評(píng)估，油氣行業(yè)有75%的甲烷減排可通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)和最佳實(shí)踐措施來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中40%的減排可通過(guò)零成本管理實(shí)現(xiàn)。因此，油氣行業(yè)甲烷減排潛力極大，且易于實(shí)現(xiàn)。
國(guó)際上，歐美針對(duì)油氣行業(yè)甲烷減排正陸續(xù)出臺(tái)更加具體且日益嚴(yán)格的監(jiān)管要求。在美國(guó)，2021年11月美國(guó)政府出臺(tái)指導(dǎo)性文件《美國(guó)甲烷減排行動(dòng)計(jì)劃》，2022年8月美國(guó)總統(tǒng)簽署的《通脹削減法案》中首次提出將對(duì)石油和天然氣行業(yè)甲烷排放進(jìn)行收費(fèi)，2024年3月美國(guó)環(huán)保署（EPA）發(fā)布《新的、重建和改造的排放源的性能標(biāo)準(zhǔn)以及現(xiàn)有排放源的排放指南：石油和天然氣行業(yè)氣候?qū)彶椤沸抻單募?024年5月EPA發(fā)布《溫室氣體報(bào)告規(guī)則 石油和天然氣系統(tǒng)》修訂文件。在歐洲，2020年10月歐盟委員會(huì)出臺(tái)指導(dǎo)性文件《歐盟甲烷減排戰(zhàn)略》，2024年6月歐洲議會(huì)和理事會(huì)正式簽署發(fā)布了歐盟首部旨在遏制歐洲和全球能源部門甲烷排放的法規(guī)《歐洲議會(huì)和理事會(huì)關(guān)于能源部門甲烷減排和修訂（歐盟）2019/942的法規(guī)》。
在我國(guó)，2023年11月生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合11部門發(fā)布國(guó)家政策文件《甲烷排放控制行動(dòng)方案》，該文件提出了“十四五”和“十五五”期間甲烷排放控制目標(biāo)，并明確指出，在“加強(qiáng)甲烷排放監(jiān)測(cè)、核算、報(bào)告和核查體系建設(shè)”和“推進(jìn)能源領(lǐng)域甲烷排放控制”中油氣行業(yè)需要承擔(dān)多項(xiàng)重要任務(wù)。
2. 油氣行業(yè)甲烷減排行動(dòng)中關(guān)于先進(jìn)監(jiān)測(cè)設(shè)備的市場(chǎng)需求
油氣行業(yè)甲烷排放主要來(lái)自勘探、生產(chǎn)、加工和儲(chǔ)運(yùn)分銷環(huán)節(jié)中的逃逸、放空和火炬不完全燃燒。逃逸性排放是指在各種設(shè)施及部件上無(wú)意或意外產(chǎn)生的泄漏。放空和火炬排放是維護(hù)安全等原因?qū)е碌挠薪M織排放。油氣行業(yè)甲烷排放呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：（1）排放點(diǎn)數(shù)量多：每個(gè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)或設(shè)施可能由成千上萬(wàn)個(gè)部件組成，其中可能包含幾個(gè)到數(shù)百個(gè)排放點(diǎn)。
（2）排放點(diǎn)地理分布廣：每個(gè)井場(chǎng)、壓縮站、天燃?xì)鈴S和管道段都是潛在排放源，這些設(shè)施經(jīng)常散布在偏遠(yuǎn)地區(qū)。
（3）排放率的可變性：受許多因素影響，類似設(shè)備和工藝的排放率可能存在較大差異；此外，一些排放點(diǎn)是間歇性的。
（4）難以感知：甲烷排放經(jīng)常是無(wú)色無(wú)味的，在不使用專用檢測(cè)設(shè)備情況下很難識(shí)別和估計(jì)排放。
油氣行業(yè)甲烷排放的這些復(fù)雜性特點(diǎn)給甲烷減排行動(dòng)中的排放監(jiān)測(cè)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。
泄漏檢測(cè)和修復(fù)（LDAR）以及測(cè)量、報(bào)告和驗(yàn)證（MRV）是油氣行業(yè)甲烷減排行動(dòng)中的兩種重要系統(tǒng)方法。表1總結(jié)了這兩種系統(tǒng)方法的基本定義、主要作用及相關(guān)甲烷排放監(jiān)測(cè)的發(fā)展方向、法規(guī)進(jìn)展和設(shè)備需求。
表1 LDAR和MRV的基本定義、主要作用及相關(guān)甲烷排放監(jiān)測(cè)的發(fā)展方向、法規(guī)進(jìn)展和設(shè)備需求
| 系統(tǒng)方法 | 泄漏檢測(cè)和修復(fù)（LDAR） | 測(cè)量、報(bào)告和驗(yàn)證（MRV） | |
| 基本定義 | 一種識(shí)別和解決設(shè)備和設(shè)施潛在泄漏的系統(tǒng)方法。 | 一種跟蹤和記錄溫室氣體排放和減排的系統(tǒng)方法。 | |
| 主要作用 | 是油氣生產(chǎn)企業(yè)減少甲烷排放的三項(xiàng)主要技術(shù)方法之一。另外兩項(xiàng)分別為：限制放空和火炬排放；改進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備。 | 基于完善的MRV體系，油氣生產(chǎn)企業(yè)可通過(guò)控制甲烷排放總量來(lái)靈活制定甲烷減排策略。 | |
| 甲烷排放監(jiān)測(cè) | 發(fā)展方向 | 傳統(tǒng)LDAR泄漏檢測(cè)主要依賴于手持式設(shè)備，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在油氣行業(yè)中實(shí)施的定期檢測(cè)時(shí)間間隔往往長(zhǎng)達(dá)數(shù)月甚至一年以上，通常難以發(fā)現(xiàn)間歇性泄漏排放。因此，需要引入先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)來(lái)提高LDAR泄漏檢測(cè)效率。 | 傳統(tǒng)的MRV甲烷排放量報(bào)告數(shù)據(jù)主要來(lái)自于排放因子核算法，不準(zhǔn)確不精確，極其容易低估排放總量。因此，多尺度量化測(cè)量已經(jīng)成為改進(jìn)MRV的必經(jīng)之路。 |
| 法規(guī)進(jìn)展 | 美國(guó)：以傳統(tǒng)檢測(cè)方法為基礎(chǔ)，場(chǎng)站級(jí)檢測(cè)方法可替代傳統(tǒng)檢測(cè)方法。 | 美國(guó)：源級(jí)測(cè)量為主，排放因子法為輔 | |
| 歐洲：以傳統(tǒng)檢測(cè)方法為基礎(chǔ)，場(chǎng)站級(jí)檢測(cè)法可部分替代傳統(tǒng)檢測(cè)方法 | 歐洲：源級(jí)測(cè)量與場(chǎng)站級(jí)測(cè)量相結(jié)合 | ||
| 中國(guó)：僅使用傳統(tǒng)檢測(cè)方法 | 中國(guó)：僅使用排放因子法 | ||
| 設(shè)備需求 | 源級(jí)檢測(cè)：OGI、FID等手持式泄漏檢測(cè)設(shè)備 | 源級(jí)測(cè)量：甲烷排放大流量采樣器。 | |
| 場(chǎng)站級(jí)檢測(cè)：基于衛(wèi)星、飛機(jī)、無(wú)人機(jī)和車輛等移動(dòng)平臺(tái)上搭載高精度傳感器的甲烷排放監(jiān)測(cè)設(shè)備；基于網(wǎng)格化定點(diǎn)安裝高精度傳感器的甲烷排放連續(xù)監(jiān)測(cè)設(shè)備。 | 場(chǎng)站級(jí)測(cè)量：基于衛(wèi)星、飛機(jī)、無(wú)人機(jī)和車輛等移動(dòng)平臺(tái)上搭載高精度傳感器的甲烷排放監(jiān)測(cè)設(shè)備；基于網(wǎng)格化定點(diǎn)安裝高精度傳感器的甲烷排放連續(xù)監(jiān)測(cè)設(shè)備。 | ||
在國(guó)內(nèi)高度重視甲烷減排的政策背景下，國(guó)內(nèi)油氣生產(chǎn)企業(yè)正在積極推動(dòng)企業(yè)級(jí)甲烷減排行動(dòng)，在LDAR和MRV應(yīng)用中必然需要使用大量先進(jìn)的場(chǎng)站級(jí)和源級(jí)甲烷排放監(jiān)測(cè)設(shè)備。然而，國(guó)內(nèi)高精度甲烷傳感技術(shù)長(zhǎng)期落后于國(guó)際先進(jìn)水平，還沒(méi)有國(guó)內(nèi)設(shè)備制造商能夠系統(tǒng)提供這些先進(jìn)設(shè)備。在部分油氣企業(yè)的試點(diǎn)和研究項(xiàng)目中，還是主要依賴使用進(jìn)口設(shè)備。進(jìn)口設(shè)備不僅存在使用成本過(guò)高的問(wèn)題，也難以響應(yīng)國(guó)內(nèi)特定應(yīng)用需求。因此，面對(duì)國(guó)內(nèi)油氣企業(yè)甲烷減排行動(dòng)中對(duì)先進(jìn)設(shè)備的廣泛應(yīng)用需求，迫切需要國(guó)內(nèi)設(shè)備制造商加快研發(fā)高精度甲烷傳感技術(shù)，并提供具備自主技術(shù)的場(chǎng)站級(jí)和源級(jí)甲烷排放監(jiān)測(cè)設(shè)備。
3. 油氣行業(yè)甲烷排放監(jiān)測(cè)的整體解決方案
四方光電（武漢）儀器有限公司（簡(jiǎn)稱四方儀器）是專業(yè)研制氣體傳感器及儀器儀表的高科技企業(yè)。四方儀器依托氣體傳感技術(shù)研發(fā)平臺(tái)基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)，成功研制了高精度TDLAS甲烷傳感器模組，并為油氣行業(yè)甲烷排放監(jiān)測(cè)推出了一套整體解決方案，能夠?yàn)橛蜌馍a(chǎn)企業(yè)提高LDAR檢測(cè)效率、助力溫室氣體核算和構(gòu)建MRV技術(shù)體系提供高精度甲烷排放監(jiān)測(cè)及準(zhǔn)確的定性與定量分析結(jié)果。
3.1 四方儀器整體解決方案的框架體系
本方案框架分為監(jiān)測(cè)感知層、數(shù)據(jù)解析層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層。監(jiān)測(cè)感知層主要產(chǎn)品包括：場(chǎng)站級(jí)水平的甲烷排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、車載甲烷排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和無(wú)人機(jī)甲烷排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；源級(jí)水平的便攜式紅外熱像儀和便攜式大流量采樣器。多款監(jiān)測(cè)設(shè)備和傳感器組合適用于天然氣生產(chǎn)開(kāi)采、加工、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)炔煌h(huán)節(jié)，全方位、全流程采集和測(cè)量甲烷排放濃度等關(guān)鍵信息。數(shù)據(jù)解析層的軟件平臺(tái)基于5G網(wǎng)絡(luò)通訊實(shí)時(shí)傳輸并顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算排放率，并判定排放事件和量化排放。數(shù)據(jù)解析層各軟件平臺(tái)分析結(jié)果相互結(jié)合可為業(yè)務(wù)應(yīng)用層的油氣生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)用目標(biāo)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。
圖1 四方儀器整體解決方案的框架體系
3.2 高精度TDLAS甲烷傳感技術(shù)
可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜法（TDLAS）是一種特別適用于高精度探測(cè)空氣中甲烷含量的先進(jìn)光學(xué)技術(shù)。TDLAS基本原理為，使用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器發(fā)射出特定波長(zhǎng)激光束穿過(guò)被測(cè)氣體，通過(guò)測(cè)量激光穿透氣體后的強(qiáng)度衰減度，可以定量地分析計(jì)算獲得被測(cè)氣體的體積濃度。
圖2 TDLAS傳感器原理圖
四方儀器研制的高精度TDLAS甲烷傳感器模組具有以下技術(shù)特點(diǎn)：測(cè)量精度高，最小檢測(cè)限可達(dá)ppb級(jí)；響應(yīng)快，最高檢測(cè)頻率可達(dá)10Hz；具有極高的甲烷選擇性，抗干擾能力強(qiáng)；環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)；使用壽命長(zhǎng)；模塊化設(shè)計(jì)，易于安裝與集成。
圖3 四方儀器TDLAS甲烷傳感器模組
3.3 四方儀器場(chǎng)站級(jí)和源級(jí)甲烷排放監(jiān)測(cè)設(shè)備的核心技術(shù)、主要功能和應(yīng)用范圍
| 設(shè)備名稱 | 核心技術(shù) | 主要功能 | 應(yīng)用范圍 | |
| 場(chǎng)站級(jí) | 甲烷排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng) | TDLAS甲烷傳感技術(shù) | 通過(guò)網(wǎng)格化定點(diǎn)安裝，長(zhǎng)期連續(xù)測(cè)量空氣甲烷濃度、風(fēng)向、風(fēng)速和經(jīng)緯度，并基于模型判定排放事件、定位排放源和計(jì)算排放速率。 | LDAR、MRV |
| 車載甲烷排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng) | TDLAS甲烷傳感技術(shù) | 在道路行駛條件下，快速測(cè)量空氣甲烷濃度、風(fēng)向、風(fēng)速和經(jīng)緯度，并基于模型判定排放事件、定位排放源和計(jì)算排放速率。 | LDAR、MRV | |
| 無(wú)人機(jī)甲烷排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng) | TDLAS甲烷傳感技術(shù) | 在低空飛行條件下，快速測(cè)量空氣甲烷濃度、風(fēng)向、風(fēng)速和經(jīng)緯度，并基于模型判定排放事件、定位排放源和計(jì)算排放速率。 | LDAR、MRV | |
| 源級(jí) | 便攜式紅外熱像儀 | 紅外熱像傳感技術(shù) | 在10米以上中遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)利用光學(xué)成像技術(shù)快速自動(dòng)識(shí)別和定位甲烷泄漏點(diǎn) | LDAR |
| 便攜式大流量采樣器 | TDLAS甲烷傳感技術(shù) | 通過(guò)高流量風(fēng)機(jī)完全抽取甲烷泄漏點(diǎn)的逸散氣體，精確測(cè)量抽入氣體的總流量和甲烷濃度，并快速計(jì)算泄漏點(diǎn)的甲烷排放速率。 | MRV | |
| 超聲波流量傳感技術(shù) | ||||
圖4 四方儀器-油氣行業(yè)甲烷排放監(jiān)測(cè)整體解決方案的應(yīng)用示意圖
3.4 油田生產(chǎn)區(qū)域的甲烷排放監(jiān)測(cè)應(yīng)用設(shè)計(jì)
| 設(shè)備名稱 | 產(chǎn)品配置 | 監(jiān)測(cè)對(duì)象 | 監(jiān)測(cè)方法 | 監(jiān)測(cè)目的 |
| 甲烷排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng) | 甲烷分析儀主機(jī) | 聯(lián)合站區(qū)域 | 將聯(lián)合站區(qū)域劃分為50 × 50米的網(wǎng)格單元，在聯(lián)合站四周邊界上的所有網(wǎng)格單元中分別布置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)； | 基于所有網(wǎng)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算聯(lián)合站每日甲烷排放總量； |
| 超聲波風(fēng)速儀 | 常年24小時(shí)連續(xù)測(cè)量空氣甲烷濃度及風(fēng)向和風(fēng)速。 | 基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)聯(lián)合站內(nèi)部甲烷排放事件并計(jì)算排放速率。 | ||
| 太陽(yáng)能電池 | ||||
| 氣體采樣裝置 | ||||
| 設(shè)備安裝桿 | 油井區(qū)域 | 將油井區(qū)域劃分為50 × 50米的網(wǎng)格單元，根據(jù)當(dāng)?shù)厥⑿酗L(fēng)向在每個(gè)油井所占方格下風(fēng)向緊鄰空白方格中布置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)； | 基于所有網(wǎng)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算油井區(qū)域每日甲烷排放總量； | |
| 常年24小時(shí)連續(xù)測(cè)量空氣甲烷濃度及風(fēng)向和風(fēng)速。 | 基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)油井區(qū)域甲烷排放事件并計(jì)算排放速率。 | |||
| 車載甲烷排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng) | 甲烷分析儀主機(jī) | 油田生產(chǎn)區(qū)域（聯(lián)合站+油井+集輸管道） | 根據(jù)公路地圖設(shè)計(jì)可覆蓋油田生產(chǎn)區(qū)域的車載走航行駛路線，使用機(jī)動(dòng)車搭載系統(tǒng)設(shè)備按照既定路線以正常車速行駛，同時(shí)連續(xù)測(cè)量空氣甲烷濃度、風(fēng)向、風(fēng)速和經(jīng)緯度。 | 基于實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)快速篩查發(fā)現(xiàn)油田生產(chǎn)區(qū)域的排放事件并計(jì)算排放速率。 |
| 超聲波風(fēng)速儀 | ||||
| 北斗定位系統(tǒng) | ||||
| 氣體采樣裝置 | ||||
| 供電單元 | ||||
| 無(wú)人機(jī)甲烷排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng) | 甲烷分析儀主機(jī) | 油田生產(chǎn)區(qū)域中車載走航無(wú)法覆蓋的設(shè)施區(qū) | 設(shè)計(jì)圍繞設(shè)施區(qū)的飛行路線，使用無(wú)人機(jī)搭載系統(tǒng)設(shè)備按照既定路線勻速飛行，同時(shí)連續(xù)測(cè)量空氣甲烷濃度、風(fēng)向、風(fēng)速和經(jīng)緯度。 | 基于實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)快速篩查發(fā)現(xiàn)油田生產(chǎn)區(qū)域的排放事件并計(jì)算排放速率。 |
| 超聲波風(fēng)速儀 | ||||
| 北斗定位系統(tǒng) | ||||
| 氣體采樣裝置 | ||||
| 供電單元 | ||||
| 無(wú)人機(jī) | ||||
| 便攜式紅外熱像儀+便攜式大流量采樣器 | 便攜式紅外熱像儀 | 聯(lián)合站內(nèi)部所有設(shè)施和部件 | 針對(duì)聯(lián)合站中泵、壓縮機(jī)、攪拌器、閥門、安全閥、取樣連接系統(tǒng)、開(kāi)口閥、法蘭和連接件等設(shè)施和部件的密封點(diǎn)，先使用OGI進(jìn)行快速全面掃描，再使用大流量采樣器快速測(cè)量泄漏點(diǎn)的排放速率。 | 基于標(biāo)準(zhǔn)方法開(kāi)展LDAR調(diào)查，發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)，并準(zhǔn)確快速測(cè)量排放速率。排放速率數(shù)據(jù)可用于計(jì)算排放總量以及建立組件細(xì)分類排放因子。 |
| 便攜式大流量采樣器 |
圖5 聯(lián)合站區(qū)域甲烷排放連續(xù)監(jiān)測(cè)的網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)點(diǎn)位設(shè)計(jì)
圖6 油井區(qū)域甲烷排放連續(xù)監(jiān)測(cè)的網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)點(diǎn)位設(shè)計(jì)
圖7 油田生產(chǎn)區(qū)域車載甲烷排放監(jiān)測(cè)的行駛路線及甲烷濃度示意圖
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